有理講“鋰”：特斯拉的美夢取決于中國鋰行業
時間:2015-11-30 08:35來源:電動汽車時代 作者:西顧
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特斯拉的Gigafactory。50GW.h的產量，有35GW.h自產，還有15GW.h只是組裝。不論是自產還是組裝，原材料都需要鋰。估算了一下，要生產50GW.h電池，鋰的耗量大約三萬兩千五百噸碳酸鋰當量。相當于兩個目前最大的電池級生產線。
一、特斯拉的鋰電池夢想有多大
美國的電動汽車制造商特斯拉（Tesla）正在內華達州興建一座巨型電池工廠：Gigafactory，為其電動汽車提供電力。設計年產量50GW.h。預計2017年投產，2020年達產。
50GW.h是什么意思?就是電池的總功率，就是相當于50臺100兆瓦的發電機組的容量。即使效率較高的電廠，也相當于每個小時耗標準煤一萬五千噸。所以說50GW.h的容量是一個相當大的規模。
這種電池采用的是鋰電池技術，跟我們手機和筆記本電腦里用的電池是一個樣，只是用在汽車上功率和電壓不同，需要許多節電池來串聯（滿足電壓）和并聯使用（滿足電流和功率）。
再具體一點，特斯拉目前采用的是日本松下（Panasonic）18650型號的鈷酸鋰電池技術。特斯拉Model 3還擬采用電功率密度更高的20700鈷酸鋰電池。
不管使用什么型號，只要是鋰電池就要用鋰，這是怎么也繞不過去的。而這卻是一個坎兒。
二、鋰電池的分類
實際上鋰電池有兩種，一種可以是真正的鋰電池，叫作鋰原電池，用鋰金屬做成，一次使用，不能再充。還有一種就是鋰聚合物電池，叫作鋰離子電池。我們通常使用的就是后者，可充電。本文的鋰電池都是指鋰離子電池。
鋰電池主要有四大組件：正極，負極，電解液和隔膜。正極是由鋰晶體組成的，電解液里也有鋰。隔膜把正負極隔開。當充電的時候，鋰離子就會在電解液力穿過隔膜從一邊到另外一邊，放電的時候就又回來。正負極就相當于房子，鋰離子就在充電和放電中來回搬家。
鋰離子的質量好壞，就取決于這房子的好壞。如果鋰離子兩邊走的時候，房子倒了一些，或者把鋰例子鎖住出不去了，你的電池就使用時間不長。如果房子一直完好，就可以反復充電下去而不減少容量。
當然這個房子的比喻只是一個方面，如果鋰離子在游蕩的過程中產生熱，就會存在安全問題。如果隔膜破裂就會出現短路問題等等等等。
鋰電池的原理很簡單，制作工藝也不復雜。一個研究生在實驗室里，有一個手套箱一個馬弗爐再加上一些鍋碗瓢盆就可以自制鋰電池。
鋰電池易做，但是鋰電池要做好，卻是十分困難的事情。這就像炒菜，原材料要好，火候等都重要。這里只說原材料中最關鍵的一種：鋰原材料。
三、鋰從哪里來？
鋰電池中的正極和電解液都需要鋰，其中正極用的鋰最多。正極材料有很多種，比如鎳鋰，鑷鈷鋰，錳鋰和磷酸鋰鐵等。什么樣的正極材料就叫什么電池。比如特斯拉用的鈷酸鋰電池就是用鈷酸鋰LiCoO2為正極材料。
正極材料中的鋰主要來自兩種產品：碳酸鋰和氫氧化鋰。目前，碳酸鋰占多數，氫氧化鋰占少數。但特斯拉用的鈷酸鋰正極卻是采用氫氧化鋰工藝，所以氫氧化鋰在最近開始走俏。
碳酸鋰和氫氧化鋰的上游原材料有兩種：一種是鋰輝石（spodumene），一種氧化鋰含量在8%的硅鋁鋰晶體礦石。還有一種是鹽湖中的鹵水（brine）。鋰不是什么稀缺金屬，到處都有。海水里就有，但濃度太低。美洲還有鋰粘土，目前還處于研發階段。有經濟開采價值而且有商業運行經驗的就只有鋰輝石和鹽湖鹵水這兩種。
鋰輝石是一種硬石礦。一般含有1%左右的氧化鋰。只有澳大利亞西澳Greenbushes的礦是特例，氧化鋰含量4%左右。所以目前只有Greenbushes的鋰輝石礦在開采，其它礦成本較高或尚未開發或停產。最近幾個月，碳酸鋰價格猛漲，含氧化鋰1%的鋰輝石礦也開始變得有開采價值了。這些礦主要在澳大利亞的西澳州和加拿大的魁北克省。中國也有幾個礦。
鹽湖鹵水一般鋰含量在0.6%到0.8%之間，都在大陸鹽湖中。海水中的鋰含量太低，沒有開采價值。鋰鹽湖主要分布在智利、阿根廷和玻利維亞交界處的一個三角地帶（也叫鋰三角），以及中國的青海和西藏。
四、如何從礦石中提取鋰
鹽湖鹵水的鋰已經在鹵水里面，但濃度還是太低，需要濃縮才能提取。好在鹵水一般都在干燥多風的高原。可以把鹵水抽進鹽池里，靠太陽曬，大風吹來濃縮。鋰一般濃縮到2%左右就可以加工。通常的辦法就是加入蘇打（碳酸鈉），和濃縮過鹵水中的氯化鋰反應就形成了碳酸鋰和食鹽。碳酸鋰溶解度很低，就成了固體，這個過程叫作沉鋰。沉出來的粗碳酸鋰就可以進一步加工提純成電池級的碳酸鋰或者氫氧化鋰了。
鋰輝石礦在礦脈中，需要爆破開采，就像采石頭是一個樣。但原礦含量不高，需要破碎后提取精礦。通常的做法是重選和浮選。重選就是弄一種液體，比如比重是2.8，把破碎了的礦石放進去，比2.8輕的就上浮，種的下沉。含鋰的鋰輝石比較重，就下沉。石英等比較輕的就上漂，于是就分開來了。重選適合于粗顆粒。有些鋰輝石礦晶粒很小，需要磨得更細才能跟雜質分開。這樣的顆粒不能重選，要浮選。浮選的原理很簡單，就像家里煮肉，上面漂浮的血雜質就是粘在氣泡上漂上來的。選礦一樣，就是加了藥劑，使得有用的東西容易粘在氣泡上，雜質留在水里。或者反之。這樣把細礦放進水中，往里吹氣泡就把礦石浮選上來。選好的精礦，一般含氧化鋰5%到6%。
鋰輝石中的鋰在晶格里面，鋰輝石是頑石，酸堿不侵。可是把鋰輝石放到窯爐里加熱到1000多度，鋰輝石就會改變晶體結構，體積膨脹而松散，就像爆米花一樣。燒過的料加了硫酸加熱到250度就跟晶體中的鋰就形成硫酸鋰。硫酸鋰溶于水，把燒過的酸化了的料放入水中，硫酸鋰就溶入水，而其它雜質就會留在固渣里。進行過濾，就可得到硫酸鋰溶液。就像泡茶水是一個道理。把蘇打加入硫酸鋰溶液反應，就可成為碳酸鋰和硫酸鈉。碳酸鋰溶解度很低，沉出固體，硫酸鈉則留在溶液里。
鹽湖鋰鹵水儲量豐富，又加上在曬鹽的時候可以提取鉀肥，總算下來比較便宜。但鹽湖在邊遠地區，建廠和運行都十分困難。而且鹵水中的雜質比較多，特別是鎂含量很高，技術上比較困難。南美鹽湖提鋰的幾大公司，靠著價格優勢，幾十年來技術沒有進步，生產出來的碳酸鋰不夠電池級的水平。而中國的鹽湖則含鎂過高，分離困難。生產很不容易，產量和質量都存在著許多問題。新的鹵水項目初投資大，時間廠。而且鹽湖鹵水提鋰靠天吃飯，一場大雨就可把鹽池稀釋而影響產量。這就給礦石提鋰留下了空間。目前世界上絕大多數的高端正極材料都是用鋰輝石礦中提取的碳酸鋰和氫氧化鋰來制造的。
五、鋰的供應取決于投資、技術資源和時間
繞了一大圈，我們言歸正傳，回來看看特斯拉的Gigafactory。50GW.h的產量，有35GW.h自產，還有15GW.h只是組裝。不論是自產還是組裝，原材料都需要鋰。我估算了一下，要生產50GW.h電池，鋰的耗量大約三萬兩千五百噸碳酸鋰當量。相當于兩個目前最大的電池級生產線。
特斯拉的美夢是通過大規模生產降低電池的生產成本。要是特斯拉的美夢成真，再加上其它汽車公司和電池公司的需求，鋰材料的需求增量翻倍不是問題。問題是哪來這么高質量又便宜的鋰材料。我相信特斯拉也意識到了這一點，他們在積極跟各大生產商進行接觸尋求貨源。但特斯拉不會有精力直接進行原材料生產投資。
碳酸鋰和氫氧化鋰的生產不便宜。過去幾年來，電池級鋰材料生產廠商的利潤非常薄，再要求降價以降低電池價格已經沒有了空間。好在鋰材料在整個電池鏈中的成本份額不高，特斯拉電池的降價只能靠規模化和降低其它原材料的進價。
即使高價格可以接受，原材料的供應也不是那么容易滿足。問題不是鋰的資源。從目前探明的鋰儲量來看，完全可以支持鋰需求的大規模增長。問題在于投資、技術資源和時間。
首先看看投資。自2010年以來，在鋰原材料的投資大約15億美元。除了中國之外，世界上有數家公司進行可行性研究，至今大多還處在講故事階段。只有三個項目進入了實施階段：澳大利亞西澳銀河鋰業的江蘇碳酸鋰項目（現在天齊鋰業擁有）和加拿大魁北克省的魁北克鋰業（后來為RB Energy）都是鋰輝石提鋰。第三個是鹽湖提鋰，也就是澳大利亞布里斯班的Orocobre在阿根廷的Juluy省的鹽湖項目。三個項目中，只有銀河鋰業成功大批量生產了電池級產品。RB Energy魁北克鋰業2014年六月開始出產品到同年九月停產倒閉，只生產了100來噸產品，無一達到電池級指標。Orocobre的項目從2015年四月開始生產，到2015年十月總共生產了不足1000噸產品，電池級產品寥寥。目前還在艱難地爬升階段，生死未卜。
除了銀河資源的碳酸鋰項目，這十數億美元的投資打了水漂。這嚴重的影響了電池原材料方面的投資熱情。這就造成了目前碳酸鋰和氫氧化鋰的漲價。漲價為生產廠商增加了利潤，也增加了進一步投資的動力。
可是有了錢就能解決問題嗎?當然不是，還有一個時間和技術資源問題。
我們先看看以前的幾個項目：
魁北克項目自2011年10月份破土動工，2014年六月才開始出產品，到2014年九月停產，一共生產了100多噸碳酸鋰次品，耗資達數億多美元(不好公布數字)。工廠沒有完全建成，遑論完成調試。
Orocobre的阿根廷鹽湖項目2011年完成可研，投資2.5億美元，2015年4月生產出第一批產品，到10月月產只有316噸，少量電池級產品。這個項目即使能夠生存，要實現達產和達到電池級要求，還有一段漫長的路要走。就是比較成功的銀河碳酸鋰廠，2010年二月破土動工，到第一批量產，也用了兩年多時間，這已經歷史上少有的速度了。
礦石提鋰廠的建設周期較短，即使如此，從破土動工到出第一批產品最少也要兩年以上。如果加上可行性研究和詳細設計階段，至少三年才能建造一個廠。廠子建好后，還需要一到兩年的達產時間。而鹵水提鋰的時間則更長。因為鹽池建好后，至少需要兩年的曬鹽過程，才能開始使用。雖然處理廠相對簡單，但考慮到地區邊遠，其建設和調試時間只能長，不可能短。Orocobre的例子就是如此。
也就是說，即使有足夠的資金，現在就開始設計，也不能保證2020年達產。達產以后，產品還需要半年到一年的驗證期。何況特斯拉在2017年就要開始出產品，確實不容易滿足其要求。
我曾經幫助分析這些失敗項目。表面上看似是因為財務原因，實則因為其它原因把工廠拖垮。一個主要的原因就是技術資源的匱乏。西方國家自上個世紀五六十年代一直沒有新廠建設，造成了技術，設計和運行人員匱乏。工程公司缺乏設計和運行經驗，真正懂行的老一代人員已經退出了舞臺，造成了設計上和運行上的巨大問題。
投資者往往看重硬件，而常常忽略這些最重要的軟件問題。
六、為什么特斯拉美夢成真取決于中國鋰行業的表現？
那么答案在哪里?在中國的礦石提鋰。因為中國有資金和運行經驗。
南美的鹽湖資源都在海拔三、四千米以上的高原地區，遠離工業區。要建廠并成功運行，所需時間很長。中國的鹽湖也在高原，而且鹵水中的鎂含量太高，在沒有技術突破之前，很難有突破。遠水解不了近渴。
海外雖然有很多公司還在聲稱建廠，但不太實際。因為澳大利亞和加拿大的建造成本是中國的2到2.5倍。運行成本也要高很多。
目前的狀況是，電池材料和電池的生產多集中在東亞，也就是中日韓三國。現在中國的份額變得越來越大。鋰輝石提碳酸鋰和氫氧化鋰，幾乎都在中國。
中國的鋰材料生產廠商，存在著兩個嚴重的問題，一是缺乏資源需要從澳大利亞等進口礦石。中國的鋰輝石礦在藏區，環境問題是其主要制約因素。二是工藝采用批次生產，不連續，不自動化。三是目前最重要的增長點在氫氧化鋰，而目前的生產廠商則側重在碳酸鋰。就整個中國而言（不是具體公司），礦產的問題通過購買和投資基本得到了解決。而生產工藝的缺陷，卻是一個長遠的問題。碳酸鋰廠需要重新興建。
批次、不連續和非自動化生產出來的產品的一致性不好。動力電池的使用是由無數個小電池組成的電池組。這樣對電池的要求就不僅僅是單個電池的質量，還要求電池的的一致性要好。也就是說一組電池，如果有幾個不好的，整個電池組的使用就受到這幾個壞電池的影響，也就是人們常說的短板效應。通俗的說，就是一個老鼠壞了一鍋湯。一致性要好，需要每個環節的一致性都要好，其中原材料的一致性就至關重要。這樣就很難通過松下這樣的企業的技術認證。
要解決一致性，就不能一批一批的生產。連續自動控制的生產線才是解決問題的方法。國際上生產廠的設計理念就是連續自動化。但連續自動化并不容易，一是設計不容易，缺乏經驗;二是運行不容易，缺乏基本隊伍。雖然中國積累了許多同類廠的經驗，但同樣缺乏設計和運行現代自動化廠的人員。
目前的增長點在氫氧化鋰。而現在運行的氫氧化鋰規模都過小。要興建和運行自動化大型化氫氧化鋰廠還有許多風險要克服。最后成功的關鍵不在資金和資源，而是在專業人才。
總之，特斯拉的夢做得不小，夢是否變成現實，很大程度上還要看中國鋰行業接下來幾年的表現。
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